Nepřímo ionizující záření

Nepřímo ionizující záření - interakce záření gama

Fotony záření γ nemají elektrický náboj, takže nemohou přímými elektrickými silami ionizovat atomy. Foton je však kvantem rychle kmitajícího elektrického a magnetického pole, takže když se do "těsné blízkosti" tohoto kmitajícího pole dostane elektron, může obdržet elektromagnetickou energii a být fotonem urychlen. Interakce záření γ s látkou může probíhat čtyřmi různými způsoby, vyznačenými na obr. (pátý způsob, rezonanční jaderná absorbce, zde zobrazen není):

Čtyři způsoby interakce záření gama s látkou.


Fotoefekt
Foton záření γ se "srazí" s elektronem e-vázaným v atomovém obalu, předá mu veškerou svou energii a zanikne. Energie fotonu při tomto absorbčním ději se spotřebuje na uvolnění elektronu z atomového obalu a na kinetickou energii vyraženého fotoelektronu. Elektron který získal tuto energii se uvolní z vazby v atomu a vyletí s kinetickou energií Ee = Eγ - Ev, danou rozdílem energie záření Eγ a vazbové energie Ev elektronu v atomu. Další chování tohoto fotoelektronu e- je stejné jako u záření β: bude se "cik-cak" pohybovat a odrážet mezi atomy, ionizovat je až se nakonec zabrzdí (a příp. zrekombinuje s některým atomem). Na místo "uprázdněné" po elektronu, který vyletěl fotoefektem, okamžitě přeskočí z vyšší slupky v atomovém obalu elektron, přičemž energetický rozdíl vazbové energie na vyšší a nižší slupce se vyzáří ve formě kvanta (fotonu) elektromagnetického záření - vyzáří se charakteristické rentgenové záření (pokud je to slupka K, jedná se o čáry Kα,β o energiích cca 20-80 keV u těžších prvků, pro slupku L jsou to čáry Lα,β o podstatně nižších energiích). Při tomto pochodu však nemusí dojít k vyzáření charakteristického elektromagnetického záření, ale jako alternativní jev může nastat předání energie některému elektronu na vyšší slupce, který se pak uvolní a vyzáří jako tzv. Augerův elektron. Tento jev bývá někdy vykládán jako proces vnitřní konverze Rentgenova záření, i když podobně jako u vnitřní konverze záření γ jde o alternativní jev, při němž se energie předává elektromagnetickou interakcí přímo, bez faktického vyzáření fotonu.
Fotoefekt nastává nejčastěji u záření γ s nižšími energiemi a v látkách s velkým protonovým číslem Z.


Comptonův rozptyl
Pokud se foton záření γ "srazí" s elektronem buďto volným, nebo jen slabě vázaným, předá mu jen část své energie, pružně se "odrazí" od tohoto elektronu a bude pokračovat ve svém pohybu ve změněném směru a s nižší energií. Elektron se touto "srážkou" urychlí na příslušnou kinetickou energii a bude ionizovat podobně jako každé jiné záření beta. Comptonův rozptyl se nejvíc uplatňuje u záření γ středních a vyšších energií a v látkách s nízkým protonovým číslem Z. Comptonův rozptyl v zásadě může probíhat i na atomových jádrech; má však velmi nízký účinný průřez a vzhledem k velké hmotnosti jader je změna energie odraženého kvanta γ též relativně velmi malá. Tento jev se v praxi neuplatňuje.


Tvorba elektron-pozitronových párů
Pokud do látky vletí foton záření γ o dostatečně vysoké energii (větší než 2meoc2 = 1,022MeV - součet klidové energie elektronu a pozitronu, které jsou stejné), pak při svém průletu kolem atomového jádra se může foton γ přeměnit na dvojici částic elektron+pozitron: γ → e- + e+. Z této dvojice zůstává (po ionizačním zabrzdění stejným mechanismem jako β-) v látce jako trvalá částice jen elektron. Pozitron po zabrzdění anihiluje s některým z dalších elektronů za vzniku dvou fotonů záření γ o energii 511keV, jak již bylo výše zmíněno u záření β+.
Samovolná přeměna fotonu záření γ při jeho pohybu ve vakuu na elektron-pozitronový pár není možná z původu zákona zachování hybnosti: součet hybností vzniklého elektronu a pozitronu je menší než hybnost dodaná fotonem. Proto je třeba třetí částice, která by přebytek hybnosti přijala; částicí, která přebírá tento přebytek v bilanci hybnosti elektron-pozitronového páru je atomové jádro.
Přeměna fotonu na elektron-pozitronový pár probíhá v bezprostřední blízkosti atomového jádra pod vlivem jeho elektrického pole, takže čím větší bude mít jádro náboj, tím bude větší pravděpodobnost vzniku elektron-pozitronového páru. Podrobnější výpočty ukazují, že účinný průřez tvorby elektron-pozitronových párů je úměrný Z2 - druhé mocnině protonového čísla atomů látky.


Jaderný fotoefekt (fotojaderná reakce)
Pokud mají kvanta záření γ dostatečně vysokou energii (větší než je vazbová energie nukleonů v jádře, nejméně cca 2,5 MeV), mohou vyvolat přímo v jádře jadernou reakci, při níž je z jádra vyražen neutron či proton: fotojaderné reakce (γ, n), (γ, p); při velmi vysokých energiích γ popř. i více částic: (γ, 2n), (γ, np), (γ, 2p), (γ, α). Nejjednodušší fotojadernou reakcí je vyražení neutronu z jádra deuteria γ + 2H1 → p + n (tj. jeho rozštěpení na proton a neutron), která má prahovou energii 2,23 MeV. Pro těžší jádra je ke vzniku fotojaderné reakce potřeba zpravidla podstatně vyšší energie záření γ. Výsledné jádro po fotojaderné reakci může být radioaktivní - říkáme, že dochází k tzv. gama-aktivaci.
Při ozáření těžkých jader v oblasti transuranů (jako je 238U) tvrdým zářením γ o energii vyšší než 15MeV, může dojít k fotoštěpení takových jader na dva fragmenty - středně těžká jádra z prostředku Mendělejevovy tabulky, podobně jako při jejich štěpení spontánním či účinkem neutronů. Při velmi vysokých energiích záření gama, přesahujících ≈ 150MeV, pak již dochází k produkci nových elementárních částic (jako jsou π-mezony, při ještě vyšších energiích pak i K-mezony a hyperony).


Rezonanční jaderná absorbce - Mössbauerův jev
Pokud mají kvanta záření γ energii přesně rovnou energii určité vzbuzené jaderné hladiny, může být takový γ-foton pohlcen jádrem, čímž se jádro excituje na příslušnou energetickou hladinu. Vzápětí nastane deexcitace za vyzáření fotonu γ téže energie (který však samozřejmě vyletí obecně jiným směrem, než foton dopadající); jedná se tedy o jadernoubfluorescenci. Zatímco v atomovém obalu je buzení rezonančního fluorescenčního záření běžným jevem, rezonanční jaderná absorbce se za normálních okolností nevyskytuje a je ji možno uskutečnit pouze ve speciálním experimentálním uspořádání.